生物工程学Ch10.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章离子交换分离原理与设备,讲授内容：,第一节 离子交换树脂,第二节 离子交换分离原理,第三节 离子交换设备,第四节 离子交换设备计算,目的与要求,：了解常用的离子交换树脂，掌握离子交换的原理、设备及设备计算方法。,重点与难点,：离子交换设备及计算,思考题,1、解释概念：,树脂的含水量、,交换罐负荷 交联度 空塔流速,2、动态交换设备的分类？,3、,交换设备放大的原则,?,4、按设备的结构离子交换设备的种类？,5、计算题：,用弱酸型树脂吸附某发酵液，q,1,=2m,3,/h，树脂床高H,1,=1.2m，D,1,=1m。树脂的最大粒径d,m,=0.8mm，最小粒径d,x,=0.4mm，平均粒径d,p,=0.5mm，静止时的空隙率0.3，湿树脂密度,s,=1140kg/m,3,，溶液密度=1000kg/m,3,，黏度=0.002Pa.s。若将流量放大2倍，m=2，计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直径，正吸附时发酵液通过树脂床的压力降（按交换负荷相等的原则放大）,第一节 离子交换树脂,离子交换方法：以离子交换树脂作为吸附剂，吸附溶液中需要分离的离子，进行等当量交换,。,特点：树脂无毒性、可反复再生使用，成本低,但操作周期长，pH变化范围大，有时会影响产品质量。,一、离子交换树脂结构：,多孔网状结构高分子化合物组成，不溶于水、酸、碱、有机溶剂。,由两部分组成：,1.立体结构的网络骨架,2.可移动的活性离子,弱酸性阳离子交换树脂,：,以羧基-COOH、酚羟基-OH 等弱酸性，在碱性条件操作。pH7,pH越高交换能力越强。电离度弱，再生容易，耗酸量小。,对金属离子亲和力：,H,+,Fe,+3,Al,+3,Ca,+2,Mg,+2,K,+,NH,4,+,Na,+,强碱性阴离子交换树脂,：,强碱型：,含三甲胺基团；,强碱型：,二甲基-羟基-乙基胺基团,。,活性基团电离度高、pH114。氯型比羟型稳定。,商品氯型，使用时需先再生。再生耗碱量大。,RN(CH,3,),3,Cl+NaOH RN(CH,3,),3,OH+NaCl,弱碱性阴离子交换树脂,：,伯胺基-NH,2,、=NH、N和吡啶基。,电离度小，再生成羟型容易，耗碱量小。在pH7使用。pH越小，交换能力越大。,树脂的编号,编号 强酸性阳 弱酸性阳 强碱性阴 弱碱性阴,统一 1100 101200 201300 301400,上海 731740 721730 711720 701710,三、树脂合成,1.加聚法,主要成分构成树脂分子链：,单烯键单体：苯乙烯、丙烯酸、丙烯腈,常用交联剂：双烯键单体 二乙烯苯,交联度：构成树脂的交联剂在树脂中所占的比例,。,特点：,树脂结构稳定，性能好,。,2.缩聚法：,由2个或2个以上带有功能基的单体通过功能基之间的相互作用反应。伴有低分子的产生。,引入活性基团方法：单体本身有功能团；,合成共聚后通过化学反应引入,常用品种：聚苯乙烯系、丙烯酸系,特点：,稳定性较差，结构不十分确定，为多功能团,四、树脂的理化性能,1、,颗粒度：,大多数球型，直径0.21.2微米7016目。,2、,交换容量,：交换能力参数。,质量交换容量mol/g干树脂,体积交换容量mmol/mL树脂。,工作交换容量,：,在一定应用条件下表现出的交换容量。（0.3,0.9）再生交换容量,再生交换容量,：,在指定的再生剂用量条件下再生后的交换容量。（0.5,1）交换容量.,树脂的利用率,：,工作交换容量与再生交换容量之比,3、,机械强度,：要求大于90%。,4、,膨胀度,：膨胀前后树脂的体积比。,5、,含水量和密度,含水量,：,指每克干树脂吸收水分数。,0.30.7g,密度：,湿堆积密度600850kg/m,3,湿真密度11001400kg/m,3,6、,孔结构,：,孔径的大小与合成方法、原料性质等有关。,第二节 离子交换分离原理,反应过程可分5步：,1.A,+,由溶液到树脂表面；,2.A,+,从表面扩散到树脂内部的活性中心；,3.A,+,在活性中心交换；,4 H,+,自内部活性中心扩散到树脂表面；,5.H,+,从表面扩散到溶液中。,一、交换机理：按等当量、可逆多相化学反应。,A,+,+RH RA+H,+,H,+,外扩散、内扩散、离子交换,二、交换速度方程,外扩散控制,：交换方程,ln（1-F）=K.t,K 外扩散速度常数,F 时间t时，树脂的饱和度 De液相扩散系数 r,o,树脂颗粒半径,吸附常数，平衡时固相浓度与液相浓度的比。,内扩散控制,：,Di树脂内扩散系数,三、影响交换速度因素,1.颗粒大小,2.交联度,3.离子化合价,4.离子、分子大小,第三节 离子交换设备,根据操作方式：静态、动态,动态交换设备,固定床,流动床,单床多床复床,间歇操作,连续操作,一、常用离子交换设备,二、反吸附离子交换设备,三、混合床,四、连续离子交换设备,设备材料：,大：多采用钢板 内衬橡胶,小：有机玻璃或硬聚氯乙烯,实验室：玻璃筒,管道：硬聚氯乙烯,阀门：塑料 不锈钢或橡皮隔膜阀,装有观察玻璃短管,常用离子交换设备,反吸附离子交换罐,1底 2.液体分布器 3.底部液体进出管4.填充层 5.壳体 6.离子交换树脂层7.扩大沉降段 8.回流管 9.循环室 10.液体出口管 11.顶盖 12液体加入管 13喷头,扩口式反吸附离子交换罐,混合床,连续离子交换设备,第四节 离子交换设备的计算,1、树脂用量和罐体积：,交换罐树脂吸附量,Q,1,（单位）：,Q,1,=Vq10,6,V交换罐树脂的体积m,3,q单位树脂体积对产品吸附量，单位/mL,溶液中产品被树脂的吸附量Q,2,（单位）：,Q,2,=V(c,1,-c,2,)10,6,=Ft(c,1,-c,2,)10,6,V,1,每批处理的溶液量m,3,F 进入离交柱的溶液流量m,3,/h c,1、,c,2,进、出口溶液的产品浓度，单位/mol t 溶液通过交换罐的操作时间，h,Q,1,=Q,2,所以,干树脂的重量：m=V10,3,/V,2,V 交换罐中干树脂的用量，kg V,2,每g干树脂相当于湿树脂体积，mL湿/g干,吸附、水洗、解吸或再生所需时间：,t吸附、水洗、解吸或再生所需溶液时间h V,1,吸附、水洗、解吸或再生所需溶液体积m,3,F所需溶液流量m,3,/h f交换罐负荷 m,3,溶液/m,3,树脂.h H树脂床高度m 溶液空塔流速 m,3,溶液/(m,2,树脂床面积.h),交换罐体积：,V,t,=V/,V,t,交换罐体积m,3,树脂装填系数，正吸附0.5,0.7,树脂罐高径比：H/D=2,3,2.交换设备的放大,放大原则有两种：,交换罐负荷相同的原则,交换罐溶液的空塔流速相同的原则,根据交换罐负荷相等的原则放大,交换罐负荷,是指,单位时间单位湿树脂体积中,所通过的溶液的,体积,。,P,256,或者是,单位湿树脂体积中,所通过的溶液的,体积流量。,以f 表示 m,3,溶液/(m,3,湿树脂.h),或,L/h,f的倒数是溶液与树脂的接触时间。f相等即大小设备溶液与树脂的接触时间相等。,设：q,1、,q,2,、V,1、,V,2,分别为小、大设备的溶液体积流量和树脂体积：,f,1,=q,1,/V,1,f,2,=q,2,/V,2,令 ：f,1,=f,2,即 q,2,/q,1,=V,2,/V,1,=m,V,2,=mV,1,设备放大按几何相似原则即H/D相等,H,1,/D,1,=H,2,/D,2,D,2,/D,1,=H,2,/H,1,按空塔流速相等的原则放大,交换罐中空塔流速是单位时间单位树脂床面积上通过的,溶液体积,。,以表示 m,3,溶液/m,2,床面积.h 或m/h.,这种方法放大，维持大小设备的树脂床高度不变，仅放大直径。保持线速度不变。即接触时间不变。,以,1、,2、,A,1、,A,2,表示小大设备的空塔流速和树脂床面积，,2,=q,2,/A,2,1,=q,1,/A,1,令：,2,=,1,q,2,/q,1,=A,2,/A,1,=D,2,2,/D,1,2,=m,结果可以看出：两种放大方法，树脂的体积相同，按交换罐负荷相同原则，树脂床高度增加，解析液浓度比较高，一般采用，但线速度增加，流体阻力增大。,3.溶液通过床层的压力降P，Pa：,溶液黏度，Pa.s；床层空隙率；H 床层高度，m；dp树脂平均直径，m；空塔流速，m/s。,反吸附时的压力降P，Pa：,H,b,沸腾时的树脂床高度，m；,b,树脂成沸腾状时的空隙率；,s,树脂的密度，kg/m,3,；溶液的密度，kg/m,3,。,dp为最大颗粒直径，m,反吸附时，树脂成沸腾状时溶液的,最低流速,临界流速,反吸附时，溶液的最大流速（颗粒的自由沉 降速 度）为：,dp为最小颗粒直径，m。,应注意单位！,例：,用弱酸型树脂吸附某发酵液，q,1,=2.8m,3,/h，树脂床高H,1,=1.2m，D,1,=1m。测得树脂的最大粒径d,m,=0.86mm，最小粒径d,x,=0.42mm，平均粒径d,p,=0.56mm，静止时的空隙率0.32，湿树脂密度,s,=1140kg/m,3,，溶液密度=1000 kg/m,3,，黏度=0.002Pa.s。若将流量放大3倍，m=3，计算放大后的交换罐中树脂床的高度及直径，正吸附时发酵液通过树脂床的压力降及反吸附的压力降、临界流化速度和最大速度。（按交换负荷相等的原则放大）,解：设放大后的树脂罐为2，则树脂床直径和高度为：,溶液通过树脂床的流速,D,2,=m,1/3,D,1,=3,1/3,1=1.44m,正吸附的压力降：,反吸附压力降：,反吸附的临界流化速度：,反吸附的最大流速,答：放大罐的直径1.44m,高度1.73m,正吸附的压力降43614Pa,反吸附的压力降1615Pa,临界流化速度1.51m/h,最大流速24.16m/h。,按空塔流速相同的原则放大：,树脂床的直径和高度：,D,2,=m,1/2,D,1,=3,1/2,1=1.73m,H,2,=H,1,=1.2m,正吸附的压力降：,反吸附压力降：,反吸附的临界流化速度：,反吸附的最大流速,答：略,